Cómo la programación cuántica se convirtió en un juego de rompecabezas en 3D

El software es la parte de una computadora que consta de información e instrucciones codificadas. Está completamente separado del hardware, las estructuras físicas que ejecutan estas instrucciones. Al menos eso es cierto para las computadoras convencionales.

Pero en los últimos años, los científicos informáticos se han centrado cada vez más en las computadoras cuánticas que utilizan las extrañas leyes de la mecánica cuántica para procesar información. Esto da como resultado cálculos mucho más potentes. Sin embargo, en el mundo cuántico es mucho más difícil separar el software y el hardware.

Sin embargo, está comenzando a surgir una nueva y poderosa forma de pensar sobre el software cuántico. Y lo curioso de este enfoque es que convierte la programación cuántica en una especie de rompecabezas tridimensional. Eso lleva a una pregunta interesante: ¿es posible gamificar el programa cuántico de manera que produzca resultados útiles?

Hoy recibimos una respuesta gracias al trabajo de Simon Devitt en Riken en Saitama, Japón, quien ha creado un juego en línea que tiene el potencial de desempeñar un papel crucial en el futuro de la programación cuántica. El juego no solo puede ayudar a los humanos a crear mejores programas, sino que también podría ayudar a una nueva generación de máquinas de inteligencia artificial a asumir la tarea por sí mismas.

Primero algunos antecedentes. Una forma de pensar en un programa cuántico es como una red bidimensional de qubits, como una hoja, o una red tridimensional, como un cristal. La información se codifica creando un agujero o defecto en la red.

Este es un enfoque poderoso porque la información está naturalmente protegida contra errores por las propiedades de la red en sí misma, que efectivamente la bloquea en su lugar.

La información se puede procesar moviendo los defectos a través de la red y envolviéndolos entre sí, como una bola de cuerda enredada. El proceso de enredo puede activar puertas lógicas que juntas realizan cálculos.

Esto es esencialmente un proceso topológico. Entonces, las matemáticas de la topología describen todo el proceso, independientemente de cuán desordenado se vuelva el enredo. Siempre que las redes sean topológicamente idénticas, los demás detalles del enredo no importan.

Esto es análogo al famoso vínculo entre una dona y una taza de café. Estas formas son completamente diferentes a la vista, pero son topológicamente idénticas porque ambas contienen un solo agujero. Cada uno puede convertirse en el otro apretando y estirando pero no rasgando.

Exactamente lo mismo ocurre con los programas cuánticos. Dos programas realizan el mismo trabajo siempre que sean topológicamente idénticos pero independientemente de cuán enredados se vuelvan los retículos.

Eso plantea un problema interesante. Dada una red enredada que representa un programa de computadora cuántica, ¿qué tan simple puede hacerse conservando su topología? En otras palabras, ¿cómo se puede optimizar el programa cuántico?

Eso es importante porque las computadoras cuánticas de hoy solo pueden manejar unos pocos qubits. Con recursos cuánticos tan escasos, cuanto más simple se puede hacer un programa, más fácilmente se puede implementar.

Aquí es donde interviene Devitt. Ha desarrollado una forma poderosa de visualizar programas cuánticos como redes tridimensionales con secciones entrelazadas que representan la forma en que se almacena y procesa la información. La tarea de optimización es simplificar la red moviendo, reduciendo, estirando y reelaborando las secciones entrelazadas mientras se conserva la misma topología.

Devitt ha ido más allá al gamificar la tarea: la ha convertido en un rompecabezas basado en la web llamado MeQuanics, que puedes probar aquí . La idea detrás del juego es que un programa cuántico pueda impulsar tu nave espacial. Pero el programa que tiene es demasiado grande y, por lo tanto, debe reducirse utilizando varias herramientas que pueden remodelarlo.

El juego es fascinante y no tan diferente a otros rompecabezas. Tiene un poco de errores, pero se ve bien y vale la pena intentarlo si tienes unos minutos.

Hay otro aspecto oculto en el juego. Una forma de acelerar el proceso de optimización de los programas cuánticos sería entrenar un algoritmo de aprendizaje automático para que haga el trabajo. Estos algoritmos han tenido un gran éxito en otras tareas y este tipo de optimización parece ideal.

Pero hay un problema. Estos algoritmos tienen que ser entrenados, y eso requiere un gran conjunto de datos de ejemplos de los que puedan aprender. Sin embargo, la optimización de programas cuánticos es tan nueva que no existen conjuntos de datos adecuados para esta tarea.

Es por eso que MeQuanics es importante: el proceso de jugar crea una base de datos de ejemplos que se pueden usar para entrenar una máquina. Y con suficientes datos, las máquinas eventualmente deberían superar a los humanos. El programa AlphaGo de Google mostró cuán poderosos pueden ser cuando recientemente derrotó a uno de los mejores jugadores humanos de Go después de devorar un conjunto de datos masivo de juegos de Go jugados en línea.

El trabajo de Devitt es interesante y tiene el potencial de introducir a una nueva generación de personas a la programación cuántica. Y lo mejor de todo, les permitirá divertirse mientras aprenden.

Ref: arxiv.org/abs/1609.06628 : Programación de computadoras cuánticas usando rompecabezas tridimensionales, tazas de café y donas

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